風(fēng)動架車機(jī)自動控制裝置研究

摘 要：通過對車輛定期檢修普遍使用的風(fēng)動架車機(jī)存在的問題進(jìn)行分析，提出了更加適合車輛檢修部門使用的風(fēng)動架車機(jī)自動控制裝置，該裝置具有可有效避免作業(yè)安全事故、提高設(shè)備穩(wěn)定性、節(jié)約人工成本等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)動架車機(jī)；自動控制；裝置

1 引言

架車機(jī)是鐵路貨車的維修必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。現(xiàn)在普遍使用的架車機(jī)主要有兩種，一種是電動架車機(jī)，一種是風(fēng)動架車機(jī)。由于風(fēng)動架車機(jī)適于有固定風(fēng)源的場所，同時(shí)對于空間的利用基本沒有什么影響，一直是鐵道部45個(gè)車輛段、65個(gè)檢修車間廣泛使用的架車設(shè)備，每個(gè)車輛段多則40幾臺，少則10幾臺，多年來沒有很大的變化。這種設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，但也存在著很多問題。

2 風(fēng)動架車機(jī)的工作流程分析

2.1 風(fēng)動架車機(jī)工作原理

風(fēng)動架車機(jī)實(shí)際上是由四個(gè)單作用柱塞氣缸（架車柱）、兩個(gè)充氣閥、兩個(gè)排氣閥、兩個(gè)節(jié)流閥及管路組成。架車時(shí)打開充風(fēng)閥，壓縮空氣通過節(jié)流閥進(jìn)入到并聯(lián)的兩個(gè)氣缸中，兩個(gè)氣缸同時(shí)起升，把需維修的車輛抬升到一定的高度，關(guān)閉充風(fēng)閥，插入安全銷，完成一個(gè)車輛單端起升的過程；落車時(shí)拉出安全銷，打開排風(fēng)閥，氣缸在車輛自重的作用下，排出缸筒內(nèi)部的壓縮空氣回落到自然位置。

2.2 工作中存在問題

通過對風(fēng)動架車機(jī)工作流程的分析，可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題。

2.2.1 起升速度難以控制

由于進(jìn)入氣缸的壓縮空氣是通過人工對充風(fēng)閥的開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)的，為避免氣流過快進(jìn)入氣缸，進(jìn)氣口處都設(shè)置節(jié)流閥，但不同人進(jìn)行操作還會出現(xiàn)不同的起升速度，速度過慢影響工作效率，速度過快還有可能出現(xiàn)危險(xiǎn)。因此，架車機(jī)的操作人員需要進(jìn)行一定時(shí)間的訓(xùn)練，對不同車型、不同環(huán)境變化對架車過程的干擾有適當(dāng)?shù)念A(yù)判才能合理操作架車機(jī)。

2.2.2 兩個(gè)氣缸難以同步

架車機(jī)的氣缸是單作用缸，由于風(fēng)源質(zhì)量的不同，壓縮空氣內(nèi)經(jīng)常會含有少量的水分、油脂等雜質(zhì)，長時(shí)間作用會對氣缸壁造成不同程度的腐蝕；活塞長期往復(fù)運(yùn)行還會對氣缸造成一定的磨損，這些損傷會導(dǎo)致不同的氣缸出現(xiàn)不同程度的氣密性差異，直接的表現(xiàn)就是兩個(gè)氣缸不同步，這種情況可能會導(dǎo)致起升中的車輛發(fā)生偏斜，嚴(yán)重的會導(dǎo)致車輛傾覆。為了保證氣缸起升時(shí)的同步，操作人員需要在發(fā)現(xiàn)不同步苗頭時(shí)停止充氣，待氣缸平穩(wěn)后再進(jìn)行作業(yè)，如不同步比較嚴(yán)重，只能先進(jìn)行氣缸的維修后進(jìn)行架、落車作業(yè)。

2.2.3 兩端無法同時(shí)起升車輛

由于單端起升時(shí)都無法保證氣缸的同步，兩端同時(shí)起升就會很危險(xiǎn)，屬于沒有安全保障的作業(yè)。

2.2.4 工作效率低

因?yàn)榧苘囎鳂I(yè)存在一定的安全隱患，目前經(jīng)過確認(rèn)的危險(xiǎn)源多達(dá)8個(gè)，所以一般在作業(yè)現(xiàn)場都安排三個(gè)人協(xié)作完成此項(xiàng)工作，一個(gè)人負(fù)責(zé)操作充（排）風(fēng)閥，兩個(gè)人在車輛兩側(cè)進(jìn)行安全防護(hù)，在架車過程中出現(xiàn)危及人員、設(shè)備安全等情況時(shí)，提示操作人員停止作業(yè)，同時(shí)還負(fù)責(zé)對進(jìn)入架車危險(xiǎn)區(qū)域的其他人員進(jìn)行提醒。

2.3 改進(jìn)方案

架車作業(yè)中存在的諸多問題，無論是生產(chǎn)廠家還是使用單位都在通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新來進(jìn)行改進(jìn)，最主要的方案有幾種：改進(jìn)架車機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高架車機(jī)自身的穩(wěn)定性；使用更加耐磨的材料，減小架車機(jī)磨損的速度；改進(jìn)加工工藝，使架車氣缸內(nèi)壁的表面粗糙度更高一些。

但這些方案只是減小了架車過程的危險(xiǎn)程度或延緩了危險(xiǎn)發(fā)生的過程，并不能從根本上解決架車機(jī)固有的問題。

3 自動控制方案研究

風(fēng)動架車機(jī)自動控制方案原則上不對設(shè)備現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，只是作為一種附加裝置和設(shè)備進(jìn)行配合使用，同時(shí)也考慮到新造設(shè)備時(shí)方便加裝此裝置，具體方案如圖2：架車機(jī)的每個(gè)氣缸都加裝一個(gè)電子控制閥（圖中表示為控制閥），用以實(shí)現(xiàn)對氣缸的充氣及排氣過程的控制；每個(gè)控制閥與氣缸連接部位加裝管壓監(jiān)測傳感器，分別測試每個(gè)氣缸內(nèi)的壓力變化（理論上管路的壓力和氣缸內(nèi)的壓力是一致的）；每個(gè)氣缸配套一個(gè)激光測距儀，用以檢測與氣缸活塞接觸部位車輛底部與基礎(chǔ)平臺間的距離；所有電子控制元件通過線纜連接到控制箱內(nèi)，控制箱與主控制器相聯(lián)接；每個(gè)氣缸配備一個(gè)安全銷控制裝置（圖中未示），這是一個(gè)往復(fù)運(yùn)動的風(fēng)動機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)安全銷的控制插入或拔出。

電子控制閥為二位三通式結(jié)構(gòu)，一個(gè)位置為進(jìn)氣口與出氣口導(dǎo)通，一個(gè)位置為出氣口與大氣導(dǎo)通，兩個(gè)位置都可以實(shí)現(xiàn)有序的開度控制。激光測距儀已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，但目前成品測距儀不適合架車機(jī)使用，在測距儀核心部件上需要專門設(shè)計(jì)安裝座、防護(hù)外殼等專用附件，同時(shí)還需采取適當(dāng)措施以解決測量過程中漫反射造成數(shù)據(jù)失真問題。壓力傳感器安裝在電子控制閥的殼體上（圖中沒有標(biāo)示），兩個(gè)功能設(shè)計(jì)成為一個(gè)原件，減小由于連接部位增加而產(chǎn)生的泄露可能。主控制器加裝手持式遙控器，使操作人員可在架車機(jī)附近完成各種操作，同時(shí)可目視架車機(jī)的工作狀態(tài)，有效避免安全事故的發(fā)生。

3.1 起升工作流程

3.1.1 氣缸起升高度的控制

架車機(jī)要求兩個(gè)同時(shí)起升的氣缸起升高度誤差在一定程度之內(nèi)，在一般車輛起升時(shí)，控制在15mm就能夠保證安全。研究方案將高度誤差設(shè)定為3mm（實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)需要設(shè)定，但不能小于3mm）。在車輛起升過程中，激光測距儀實(shí)時(shí)對車輛底部進(jìn)行檢測，數(shù)據(jù)傳遞到主控制器內(nèi)，無論是雙端起升還是單端起升都不影響測距儀的工作，主控制器還可支持多臺位架車機(jī)同時(shí)作業(yè)的要求。

3.1.2 不同氣缸進(jìn)氣量的控制

為保證多個(gè)氣缸同一時(shí)間段內(nèi)的起升高度都在誤差范圍內(nèi)，就需要對不同氣缸的進(jìn)氣量進(jìn)行分別控制。在架車機(jī)工作時(shí)，控制閥接收通過主控制器傳來的操作指令，同時(shí)對各有關(guān)氣缸進(jìn)行充風(fēng)，充風(fēng)過程中，主控制器會把激光測距機(jī)傳遞的不同氣缸的起升高度信息反饋給控制閥，進(jìn)而調(diào)整不同氣缸的進(jìn)氣量。具體做法是：按實(shí)際工作需要，在主控制器中設(shè)定好起升、下降速度控制范圍及同時(shí)起升的兩氣缸高度同步范圍，保證架車機(jī)起升速度及高度滿足生產(chǎn)要求；如有氣缸起升、下降速度超過設(shè)定的最大值，則通過控制閥減小此氣缸的供（排）風(fēng)量，此時(shí)不單獨(dú)考慮氣缸的實(shí)際起升高度；如有氣缸起升、下降速度低于設(shè)定的最小值，則通過控制閥增加此氣缸的供（排）風(fēng)量，此時(shí)不單獨(dú)考慮氣缸的實(shí)際起升高度；如兩個(gè)氣缸起升速度都在設(shè)定范圍內(nèi)，但起升高度超過設(shè)定的同步范圍，則增加起升高度較小的氣缸的供風(fēng)量；下降時(shí)原理相同，需增加下降速度較低的氣缸的排風(fēng)量；所有過程不需要人工干涉，完全由主控制器計(jì)算后發(fā)出相關(guān)指令。

3.1.3 氣缸安全性的控制

在氣缸起升到設(shè)定的高度時(shí)，主控制器發(fā)出停止信號，此時(shí)控制閥會對有壓力損失的氣缸進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)風(fēng)，保證風(fēng)缸不會因?yàn)樾孤┒陆担瑫r(shí)安全銷控制裝置動作，將安全銷穿入架車機(jī)插孔內(nèi)，在確認(rèn)安全銷就位后，控制閥排出少量氣缸內(nèi)空氣，讓安全銷承擔(dān)車輛的重量，主控制器停止工作，完成架車工作流程。安全銷避免了在架車工作流程完畢后，架車機(jī)意外下降所造成的事故。

3.2 下降工作流程

3.2.1 撤除安全銷

主控制器接收下降信號后，首先對架車機(jī)進(jìn)行充風(fēng)，將每臺架車機(jī)起升1mm，確保所有安全銷不再承受剪切力，之后安全銷控制裝置動作，將安全銷拉出銷孔，待確認(rèn)安全銷全部返回設(shè)定位置后，主控制器才會發(fā)出下一個(gè)動作指令。

3.2.2 架車機(jī)下降控制

主控制器在安全銷撤除后，指示相對應(yīng)的控制閥動作，將氣缸內(nèi)的壓縮空氣排出，架車機(jī)在重力作用下下降，下降速度可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和需要提前進(jìn)行設(shè)定。主控制器控制下降速度，避免下降過快的現(xiàn)象。和起升過程同理，激光測距儀會反饋氣缸的高度信息，保證氣缸下降速度在允許范圍之內(nèi)。操作者可以對單端或雙端架車氣缸發(fā)出指令，也可以由不同操作者對不同臺位的架車機(jī)分別發(fā)出指令。

3.3 壓力檢測

管壓監(jiān)測傳感器實(shí)時(shí)檢測氣缸的壓力變化，由主控制器通過設(shè)定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析、判斷氣缸內(nèi)部泄露是否符合要求以及活塞運(yùn)行阻力是否異常。一旦氣缸密封失效或磨損過度造成泄漏量超標(biāo)，或者活塞與缸筒之間摩擦阻力過大，則提示操作人員對設(shè)備進(jìn)行維修。

4 應(yīng)用效果分析

風(fēng)動架車機(jī)自動控制裝置的使用首先是保證了作業(yè)過程的安全，同時(shí)也提高了作業(yè)效率并降低了人工成本，還可以為設(shè)備檢修提供數(shù)據(jù)支持，主要有以下幾個(gè)方面的效果。

4.1 徹底消除了安全隱患

由于激光測距儀和主控制器的配合使用，確保了同步起升或下降的架車柱高度誤差在允許范圍之內(nèi)，停放在架車柱上的車輛不可能發(fā)生傾覆事故，既保證了車輛及設(shè)備的安全，也保證了車輛附近人員的安全。通過使用安全銷控制裝置，避免了人員在架車機(jī)工作過程中走入車輛下部進(jìn)行安全銷的插入或撤除等操作，消除了造成人員意外傷害的可能。

4.2 降低了人工成本

自動控制裝置的安裝提升了風(fēng)動架車機(jī)系統(tǒng)的整體安全性能，操作人員無須再對架、落車過程進(jìn)行安全防護(hù)，只需要一名操作員進(jìn)行架、落車作業(yè)，可降低約2/3的人工成本；另外，可以實(shí)現(xiàn)架車機(jī)兩端同時(shí)架、落車作業(yè)，工作效率提高了一倍。實(shí)際上，由于自動架、落車速度要比純手工操作更快，實(shí)際節(jié)約的人工成本和提高的工作效率會更高一些。按18個(gè)架車臺位計(jì)算，每年可以節(jié)約人工成本約60萬元。

4.3 改變了設(shè)備維修方式

以往對架車機(jī)的維修采用定期檢修的方式，一般每三個(gè)月把架車機(jī)拆卸下來，檢查設(shè)備密封、磨損等情況，檢修工作量相當(dāng)大。對架車柱氣缸的檢修都是通過維修人員用肉眼觀察，一方面易出現(xiàn)設(shè)備隱患漏判現(xiàn)象；另一方面有可能由于不當(dāng)檢修做成良好設(shè)備的狀態(tài)劣化。統(tǒng)計(jì)表明：定期檢修占總維修工作的75%左右，相當(dāng)于一名維修工全年的工作量。應(yīng)用自動控制裝置后，通過管壓監(jiān)測傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，再結(jié)合設(shè)備維修的經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)備還沒有出現(xiàn)很嚴(yán)重的故障時(shí)就可以對故障的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)判，提前對將要發(fā)生故障的設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維修，這會極大降低維修成本，也會因此為其它設(shè)備維修保養(yǎng)爭取人工和時(shí)間。

4.4 提高了設(shè)備的壽命

影響架車機(jī)壽命的最重要因素是氣缸內(nèi)壁的磨損，當(dāng)達(dá)到嚴(yán)重磨損階段就無法再進(jìn)行修復(fù)。而磨損是要是由于氣密原件之間配合間隙不當(dāng)及潤滑不良造成的，而磨損一般很難從設(shè)備外觀上進(jìn)行判斷。壓力傳感器可以檢測氣缸的壓力變化，在分析壓力變化的產(chǎn)生機(jī)理后，建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，由計(jì)算機(jī)判斷出氣缸內(nèi)部潛在的問題原因并進(jìn)行有針對性維護(hù)保養(yǎng)，從而使設(shè)備處于輕微磨損狀態(tài)，避免設(shè)備嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，提高設(shè)備的使用壽命。

5 需要注意的問題

架車機(jī)的自動控制技術(shù)可以針對現(xiàn)場作業(yè)的部分困難進(jìn)行有效改進(jìn)，但在使用過程中還需要解決幾個(gè)問題。

5.1 自動控制裝置的安裝

目前，很多檢修車間都使用了集中控制制動機(jī)試風(fēng)裝置，在每個(gè)修車臺位處已布設(shè)了電纜、光纜。架車機(jī)自動控制裝置可以借用集控試風(fēng)裝置的線纜管道，甚至可以直接使用試風(fēng)裝置的線纜，這樣較少的安裝成本投入就可以實(shí)現(xiàn)架車機(jī)自動控制系統(tǒng)；如果無集控試風(fēng)裝置，在進(jìn)行架車機(jī)自動控制系統(tǒng)改造時(shí)，需同步規(guī)劃對集控試風(fēng)裝置的未來需求，以避免重復(fù)建設(shè)。

5.2 激光測距儀

在設(shè)定提升高度時(shí)，應(yīng)以校準(zhǔn)激光測距儀的絕對垂直位置為基準(zhǔn)，以消除場地水平度誤差、架車柱初始高度誤差、激光測距儀的相對位置誤差等。

5.3 安全銷控制裝置

不同架車機(jī)生產(chǎn)廠所設(shè)計(jì)的架車機(jī)外觀會有很大的差別，一種成型的安全銷控制裝置不可能滿足所有架車機(jī)的使用要求，進(jìn)行架車機(jī)自動控制改造時(shí)需要對安全銷控制裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。

5.4 設(shè)備故障報(bào)警設(shè)定

通過壓力檢測來確定設(shè)備故障內(nèi)容是基于維修經(jīng)驗(yàn)的。維修人員的能力、經(jīng)驗(yàn)各異，設(shè)備材料及潤滑質(zhì)的性能也不盡相同，所以設(shè)定故障報(bào)警門限時(shí)還需要根據(jù)實(shí)際情況。維修能力相對較強(qiáng)的單位，報(bào)警范圍可以小一些，否則需要適當(dāng)放寬一些。在自動控制裝置收集到足夠的數(shù)據(jù)后，還需要對數(shù)據(jù)分析模型進(jìn)行修改與完善，使設(shè)備檢修由定期維修逐步向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變、由經(jīng)驗(yàn)型檢修逐步向科學(xué)型檢修轉(zhuǎn)變。

6 結(jié)束語

從事故致因理論分析數(shù)據(jù)表明，有10%的事故是由于設(shè)備的不安全狀態(tài)引起的，要想實(shí)現(xiàn)設(shè)備的本質(zhì)安全，從設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造階段就需要進(jìn)行系統(tǒng)考慮，但更多的時(shí)候用戶并不可能介入設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造等工作，供需雙方的矛盾很難得以解決。風(fēng)動架車機(jī)自動控制裝置通過簡單的附加裝置就解決了多項(xiàng)架、落車作業(yè)及架車機(jī)自身存在的問題，并且還會產(chǎn)生更多的效益，有很好的推廣應(yīng)用前景。如果架車機(jī)生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)、制造時(shí)，將自動控制裝置和架車機(jī)主體結(jié)合在一起，可省去使用單位許多麻煩，將取得雙贏的效果。

作者簡介：張樹國（1970，12-），男，吉林省舒蘭市人，北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，工程碩士研究生。